提高波前探测精度的高阶矩方法

夏克-哈特曼波前传感器测量畸变波前的探测精度主要取决于光斑质心的测量精度。提出了一种提高光斑质心探测精度的新方法,在优化的探测窗口内使用高阶矩方法计算光斑的质心。首先,在整个子孔径内,通过一阶矩方法获得光斑的近似中心,然后以这个近似中心为中心,包含整个光斑,建立一个矩形窗口,并在该窗口内通过高阶矩方法重新计算光斑的质心。通过该改进的方法,在优化的探测窗口外,噪声的影响基本被消除;在优化的探测窗口内,噪声的影响也因为光斑权值比重的增大而削弱。实验结果证明:与传统方法相比,新方法提高了光斑质心测量的精度、重复性和稳定性。     

光斑区域内存在单个盲元条件下点源目标质心探测误差分析

在哈特曼波前传感器点源目标探测质心算法中,除信号光子噪声、读出噪声和背景光噪声等误差源之外,图像传感器上存在的盲元也会对质心的探测精度造成一定的影响。系统地推导了哈特曼传感器子孔径光斑区域内存在单个盲元条件下各种误差源对点源目标质心探测误差影响的数学表达式,进一步分析了盲元和光斑质心间相对距离、光斑等效高斯宽度等因素对盲元存在所引入的质心偏移误差的影响,指出当相对距离约等于光斑高斯宽度时质心偏移误差达到最大值。实验结果与仿真和理论推导结果相符。     

哈特曼-夏克波前传感器的高精度质心探测方法

为提高哈特曼-夏克波前传感器(HS-WFS)的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测,提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后,结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同,探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像,其质心探测误差仅为0.0442pixel,比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测,得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098λ,精度均方根(RMS)值达到0.0027λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度,可用于高精度光学系统的检测。     

哈特曼波前传感器光斑质心探测窗口的自动确定方法研究

根据在进行激光系统输出波前诊断时使用Hartman传感器探测到的光斑特点,提出一种基于光斑特征识别的自动搜寻并选取光斑质心探测窗口的新方法。通过对仿真光斑阵列的计算和对实际采样图像的实验,验证了这种方法的可行性和探测精度。     

人眼波像差测量中形心探测的新方法

子孔径光斑的形心探测和计算精度是影响哈特曼传感器波像差探测精度的重要因素，而探测窗口的选取对探测误差的影响很大。分析了Prieto等人采用的逐步缩小窗口尺寸的探测方法，并根据哈特曼波前传感器探测人眼波像差的光斑特点，采用模板匹配法选取光斑窗口的形心探测方法。该方法与Prieto的方法相比提高了探测精义。光斑阵列的仿真计算结果表明，用文中采用的方法探测误差的均方根值降低了53．7％。另外，该方法还避免了Prieto方法中多次迭代计算，减少了运算量。     

用模板匹配法选取光斑质心探测窗口

根据Hartman传感器探测入眼波像差时光斑特点，提出了模板匹配法选取光斑窗口的质心探测方法。本方法与Prieto的质心探测方法相比，提高了质心探测精度。对光斑阵列的仿真计算结果表明，用本文提出的方法质心探测误差的rms值降低了53.7%。另外，本方法还避免了Prieto方法中多次迭代的质心计算，减少了运算量。     

光斑图抑噪预处理的方法研究

为了提高光斑的质心探测精度,要对采集的光斑图在质心位置确定之前进行抑噪预处理,采用5种常用的图像处理方法对光斑图进行抑噪处理。仿真和实验结果表明,两种非线性滤波算法效果最好,极大地提高了质心探测精度,为波前相位探测中的数据处理提供了有益的参考。     

Hartmann-Shack波前传感器的自适应质心探测方法

在分析影响Hartmann-Shack(H-S)传感器质心探测精度因素的基础上,提出结合自平方算法、大津算法、光斑位置区域自适应标定、回归局部阈值法等方法,给出一套适合波前像差测量的质心自适应探测方法,该方法具有准确、自适应性强的特点.经验证,与传统的质心探测方法相比,该方法能准确识别并保留更多的有效光斑信息,提高质心探测的精度,扩大H-S传感器的适用范围.     

Shack-Hartmann 波前传感器质心探测的优化方法

为提高Shack-Hartmann(S-H)波前传感器的光斑质心探测精度,在分析质心探测误差来源的基础上,提出基于模板匹配的探测窗口选取方法和基于单个光斑的自适应阈值选取方法,将这两种方法与加权质心算法相结合求取质心,提高了质心探测精度。与固定阈值和传统质心算法相比较,当SNR 大于3 时,质心探测精度平均提高了约40%。将文中的方法应用于可见光波段的商品S-H 波前传感器,实验表明:文中方法得到的质心偏离度由传统方法的0.83 pixel 的最大值减小至0.15 pixel。该工作有重要的应用价值。     

基于FPGA的夏克-哈特曼探测器实时波前处理机

夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器。本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克-哈特曼传感器,根据其波前处理计算量和实时性的要求,提出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA,field-programmable gate array）的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算,并通过USB3.0将处理后的质心数据实时传输给PC机。处理机以一片XILINX公司Kintex7-XC7K325T的FPGA作为处理芯片进行了设计,结果表明:该算法可对560帧/s的1020×1020图像（580 MB/s数据量）,56×56子孔径哈特曼传感器,进行低延时实时光斑质心计算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制速度。     

菲涅尔透镜聚焦光斑能流密度分布检测方法

提出了一种间接检测聚光光伏发电系统中菲涅透镜聚焦光斑能流密度分布的方法,搭建了检测实验装置,通过标定相机像素灰度值与聚焦光斑能流密度值的比例因子k,介绍了从聚焦光斑灰度图提取光斑能流密度分布的具体过程.对检测精度进行了验证,结果表明:采用该检测方法得到的光斑峰值能流密度相对误差小于2.1％.该方法具有操作简单、检测精度高的优点,可广泛应用于聚光光伏发电聚焦光斑的能流密度分布的检测.     

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口、计算实际质心、参考质心、选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1 λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。     

关于检测抛物面反射镜质量的技术研究

为了对小尺寸抛物面反射镜进行质量检测, 采用平行光聚焦的方法测量焦距, 旋转被测反射镜的方法测量偏心角, 再结合图像处理的方法测量弥散斑大小, 并提出了一种减小测量误差的方法; 对这些测量方法进行了理论分析和实验验证, 得到了待测反射镜的焦距、偏心角和弥散斑大小。结果表明, 焦距的相对误差在0.1%以内, 偏心角误差在7%以内, 弥散斑大小小于0.2mm, 测量结果可靠。该方案设计为其它小口径的非球面的检测提供了很好的思路, 并且为减小测量误差、提高测量精度提供了很好的研究方法。     

数字微镜器件的远场焦斑测量方法

提出了一种基于数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device,DMD）的高功率激光远场焦斑大动态测量方法。采用DMD对焦斑主瓣和旁瓣区域进行分离,用两路CCD分别测量,通过图像拼接实现两路测量结果的融合,获得大动态焦斑数据。DMD由数字信号控制,通过改变控制信号模板,可以快速适应不同形态焦斑的测量。具体分析了DMD焦斑分割原理及DMD控制信号模板的获取,说明了焦斑重构时所需的图像校正和对准方法,实验验证了新方法的可行性。结果表明:文中方法的测量动态范围可以达到3 000:1以上。     

小尺寸光斑中心的高精度定位算法

光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一,针对小尺寸光斑中心定位算法精度低等问题,提出了一种具有高精度的小尺寸光斑中心两步定位算法。通过寻找一阶导数零交叉点的方法确定光斑中心所在的像素级坐标,然后利用该中心邻域内不饱和点的灰度信息进行高斯拟合计算光斑中心亚像素级坐标。实验结果表明:在无噪声污染光斑图像中,与其他经典算法相比,两步定位算法误差远小于0.05像素,保证了光斑中心的高精度定位,且光斑成像越接近理想高斯分布,精度越高。     

激光化学气相沉积石墨烯聚焦光斑测量研究

激光化学气相沉积(Laser Chemical Vapor Deposition,LCVD)石墨烯制备受聚焦光斑影响很大。实时检测光斑,可实现石墨烯LCVD法可控制备。设计聚焦光斑测量光学系统,提出一种基于圆拟合的改进算法检测光斑中心和半径,计算、标定光斑面积。该方法在圆拟合基础上加入了二值化、形态学处理及连通性判别等预处理方法。实验表明,该方法测得圆心位置与真值误差平均为5.58 pixel,光斑面积与真值误差平均为1.93×10-9 m2,优于传统的重心法和霍夫检测法,具有较快的计算速度和检测精度,可实现LCVD法制备石墨烯实验中聚焦光斑的非接触式测量,且对其他激光加工工艺的质量控制有借鉴意义。     

基于离焦方式的光电成像设备激光隐身技术

光电成像装备的猫眼效应使其易遭受激光主动侦察装备的探测,在光电装备成像质量变化允许的范围内,采用离焦的方式来减小猫眼目标的回波功率,可实现相应的隐身。在研究离焦对光电成像设备激光回波强度影响的基础上,利用实验的方法对猫眼目标隐身后的成像质量进行验证和评价,并对离焦后的图像进行清晰度增强。结果表明,通过离焦的方式可有效增大猫眼目标回波发散角,降低回波功率,并且离焦量越大,猫眼效应越弱。对离焦光电设备所采集的图像进行分析后发现,离焦量越大,图像高频分量越少,但是适当的离焦量所造成的成像质量下降在可接受范围内,并且通过采取相应的修复措施,光电成像设备的图像质量得到有效改善。     

基于衍射光栅的远场焦斑测量新方法

提出一种基于一维线衍射光栅的焦斑重构和远场测量新方法,从理论上分析了新方法在拓展测量仪器动态范围、提取远场焦斑高频旁瓣信息的有效性及方法的适用条件。基于实验室现有的一套远场测量系统平台及自行设计的一维线衍射光栅,以远场环围能量(PIB)曲线作为检验新方法有效性的指标,通过数值仿真和实验相结合考察了新方法的有效性,并从准确测量远场焦斑质量的角度探讨了不同减阈值的去噪方式对焦斑重构结果的影响,对结果进行了分析讨论。     

W 波段电大尺寸椭圆柱形反射面天线的设计

设计了一种W波段电大尺寸波束扫描椭圆柱面反射面天线,利用椭圆双焦点的几何特性,通过合理设计口径面利用率及天线效率,使得天线在近场具有较窄的焦斑宽度,同时在远场也有较高的方向性,适用于中、远距离均要求较高横向距离分辨率的目标探测雷达。针对电大尺寸反射 面天线仿真工作量大的问题,提出一种简化设计方法,提高了天线设计效率。利用紧缩场（CR）测试方法对天线进行远场辐射方向图测量,通过雷达系统的目标探测实验测试了天线的近场焦斑宽度。实测数据与仿真结果之间的良好一致性证明了整个天线设计方法的可靠性和准确性。